光電細(xì)絲直徑測(cè)量

西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)(論文)題目：細(xì)絲直徑測(cè)試儀系別：光電信息系專(zhuān)業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器班級(jí)：B110102學(xué)生：董博學(xué)號(hào)：B11010203任課教師：吳玲玲2014年10月目錄ABSTRACTInrecentyears,alongwithnewoptoelectronicdevicesflowingoutcontinuously、thecapacityofMCUdataprocessingimproving,andtherequirementsofoverallproductionqualitymanagement,non-contactIntelligentmachineswillreplacethetraditionalmechanicalinstrumentsgradually.Inthispaper,Idesignedasetofportablenon-contactmeasurementinstrumentsbasedonlineararrayCCD,whichcanmeasuretheworkpiecefromφ0.5mmtoφ30mm,withmeasurementprecision±5μm.Inthispaper,IdiscussedthebasicprincipleofCCDphotoelectricmeasurementdevices,analyzedtheformofpartsofopticalsystem,adoptKohlerilluminationandtelecentricbeampathdesigninordertoensureimagequalityandaccuracy.Adoptingdifferentialtheoryextractededgeinformationofmeasuredworkpiece,anddiscussedthesignalprocessingcircuitintherealizationofthevariousmodulesindetail,andmadethedifferentialprocessingcircuitryandsingle-chipcontrolsystemasemphases,atthesametimeIgavecontrolprogramflowchartofCCDdiametermeasurementsystemandrelatedpartsproceduresofit.Throughexperimentalmeasurementresults,Ianalyzedseveralimportantparameters,discussedseveralmajorerrorswhichinfluencestheaccuracyofsystemintheend,gavethemethodofeliminationoferrors,inordertoachievehighermeasurementaccuracy.KeyWords:LineararrayCCDDiametermeasurementTelecentricopticalpathDifferentialtheoryMSP431緒論1.1前言光電自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中有著極其廣泛和重要的用途。然而，目前產(chǎn)品零件尺寸的檢測(cè)大多數(shù)是人工測(cè)量的接觸式和靜止測(cè)量，所以檢測(cè)速度低，生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上目前自動(dòng)化生產(chǎn)的需要。尤其在全面質(zhì)量管理過(guò)程中，更需要先進(jìn)的、智能的檢測(cè)手段。目前，國(guó)內(nèi)外常采用激光掃描光電線徑測(cè)量[1～5]，但是這種方法受電機(jī)的溫度及振動(dòng)的影響，掃描恒速度的限制，會(huì)產(chǎn)生高溫使其降低壽命。我們研制的基于線陣CCD便攜式非接觸直徑測(cè)量?jī)x器正是適應(yīng)當(dāng)前社會(huì)自動(dòng)化生產(chǎn)的急需而設(shè)計(jì)的，該測(cè)徑儀是一種光、機(jī)、電一體化的產(chǎn)品。尤其適用于電纜、電線、玻璃管、軸類(lèi)零件的外徑測(cè)量，對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低原材料消耗，降低生產(chǎn)成本，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率有著重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)意義對(duì)各種細(xì)絲直徑的測(cè)量常常關(guān)系到工業(yè)產(chǎn)品的級(jí)別，如鐘表中的游絲、光導(dǎo)纖維、化學(xué)纖維、各種細(xì)線、電阻絲、集成電路引線以及種類(lèi)儀器、標(biāo)尺的刻線等。傳統(tǒng)的測(cè)量方法多數(shù)為接觸法，其它的有電阻法、稱重法。也有采用光學(xué)方法的，如光學(xué)顯微鏡法、干涉法、掃描法、投影放大法、比較法等。然而，大多檢測(cè)方法檢測(cè)速度低，生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上目前自動(dòng)化生產(chǎn)的需要。尤其在全面質(zhì)量管理過(guò)程中，更需要先進(jìn)的、智能的檢測(cè)手段。目前，國(guó)內(nèi)外常采用激光掃描光電線徑測(cè)量，但是但激光衍射細(xì)絲測(cè)量法比較適合于靜態(tài)的高精度測(cè)量,當(dāng)用于動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)會(huì)由于被測(cè)絲的晃動(dòng)導(dǎo)致衍射條紋快速移動(dòng)而失準(zhǔn),也難以快速得到測(cè)量結(jié)果,同時(shí)還具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、格昂貴等缺點(diǎn),不太適于現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)量細(xì)絲直徑?；贑CD技術(shù)的快速發(fā)展及后續(xù)處理算法的日益真實(shí)有效故CCD在現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)中扮演者越來(lái)越重要的作用。為滿足大工業(yè)化生產(chǎn)線陣CCD測(cè)徑儀便應(yīng)運(yùn)而生，該測(cè)徑儀是一種光、機(jī)、電、算于一體的產(chǎn)品。尤其適用于電纜、電線、玻璃管、軸類(lèi)零件的外徑測(cè)量，對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低原材料消耗，降低生產(chǎn)成本，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率有著重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)意義。1.2基于CCD測(cè)徑儀的發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀社會(huì)的進(jìn)步重要體現(xiàn)就是科技的進(jìn)步，科技進(jìn)步主要體現(xiàn)使用勞動(dòng)工具的進(jìn)步。從18世紀(jì)工業(yè)革命以來(lái)，科學(xué)技術(shù)以前所未有的速度在突飛猛進(jìn)的發(fā)展，特別是近50年來(lái)，隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)和加工技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于加工零件的檢測(cè)速度與精度有了更高的要求，向著高速度、高精度、非接觸和在線檢測(cè)方向發(fā)展。為此，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于檢測(cè)儀器與設(shè)備速度與精度一直作為檢測(cè)儀器的主要指標(biāo)。CCD測(cè)徑儀特別適用于電纜、電線的在線自動(dòng)檢測(cè)，對(duì)保證產(chǎn)品的質(zhì)量，降低原材料消耗，降低生產(chǎn)成本，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率有著十分重要的意義，所以各國(guó)政府都很重視對(duì)測(cè)徑儀的研究。英國(guó)BetaAS3系列全新的激光測(cè)徑儀：LD1040-S(單向直徑測(cè)量?jī)x)、LD1040XY-S(雙向直徑測(cè)量?jī)x)，精度：0.1μm，測(cè)量范圍最廣，單向測(cè)徑儀最大可測(cè)直徑達(dá)330.3mm，雙向測(cè)徑儀最大可測(cè)直徑值達(dá)100mm，測(cè)量精度最高，最高測(cè)量精度可達(dá)0.1μm，是目前同類(lèi)產(chǎn)品中的最高的測(cè)量精度。日本生產(chǎn)的LS-7000系列高速、高精度CCD測(cè)量?jī)x器，如：LS-7030M（配備測(cè)量攝影機(jī)）測(cè)量范圍：0.3mm～30mm，測(cè)量精度：±2μm，重復(fù)性精度：±1.5μm。LS-7010M（配備測(cè)量攝影機(jī)）測(cè)量范圍：0.04mm～6mm，測(cè)量精度：±0.5μm。1.3國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)由于自身的工業(yè)加工水平有限、測(cè)量原理的不完善和結(jié)構(gòu)搭理欠合理，所以，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的測(cè)徑儀測(cè)量精度沒(méi)有國(guó)外的精確，河北省激光研究所光電檢測(cè)控制室生產(chǎn)的JCJ-1激光測(cè)徑儀，是專(zhuān)為玻璃管生產(chǎn)線上玻璃管外徑的測(cè)量、控制、分選而設(shè)計(jì)的集激光、精密機(jī)械、計(jì)算機(jī)于一體的智能化精密儀器。通過(guò)激光光束高速（200次/秒）掃描被測(cè)玻璃管，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采樣處理，實(shí)現(xiàn)玻璃管直徑在線非接觸檢測(cè)、控制，測(cè)量范圍：0.5mm～60mm，測(cè)量精度：±0.01mm。廣州一思通電子儀器廠生產(chǎn)的ETD-05系列激光測(cè)徑儀，測(cè)量范圍：0.2mm～30mm，測(cè)量精度：±2μm，ETD-05系列激光測(cè)徑儀是一種基于激光掃描測(cè)量原理而設(shè)計(jì)的高精度非接觸式的外徑測(cè)量設(shè)備，儀器采用二維測(cè)量模式，有效消除工件振動(dòng)造成的測(cè)量誤差，特別適合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)測(cè)量，適用于通信電纜、光纜、同軸電纜、漆包線、PVC管、銅管、纖維線等圓形線材的在線檢測(cè)，也可用于其它各種圓形工件的外徑測(cè)量。南京億佰泰科技有限公司生產(chǎn)的TLSM100激光掃描測(cè)微儀，測(cè)量范圍：0.2mm～30mm，測(cè)量精度：±3μm，是一種高精度、非接觸的尺寸測(cè)量?jī)x器。它通過(guò)激光束的掃描獲得被測(cè)目標(biāo)的尺寸，廣泛用于測(cè)量熱的、軟的、易碎的以及其它傳統(tǒng)方法不易測(cè)量的物體，而且很適合生產(chǎn)中的在線測(cè)量或者線材、棒材、管材、機(jī)械和電子元件以及其它生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控。TLSM100的自動(dòng)方式適用于連續(xù)的測(cè)量；手動(dòng)方式適合單次測(cè)量。它可以設(shè)置上下偏差、峰值限制，當(dāng)超限后做相應(yīng)的報(bào)警；還可以計(jì)算最大值、最小值、平均值。例如：可以測(cè)量旋轉(zhuǎn)圓柱體的最大值、最小值，輥?zhàn)拥钠睢Ｎ覀冄兄频幕诰€陣CCD測(cè)徑儀測(cè)量范圍：0.5mm～30mm，測(cè)量精度：±5μm，適用于對(duì)被測(cè)工件進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量，也適用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)測(cè)量。1.4論文的主要內(nèi)容（1）深入了解CCD，尤其是在線陣CCD結(jié)構(gòu)與工作原理的基礎(chǔ)上，選擇合理的線陣CCD，設(shè)計(jì)出合理的測(cè)量直徑系統(tǒng)。對(duì)整個(gè)光電測(cè)量裝置進(jìn)行系統(tǒng)分析，包括CCD所構(gòu)成的測(cè)量直徑系統(tǒng)的基本原理和輸出信號(hào)處理電路。（2）在進(jìn)行光電測(cè)量裝置設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)分析，并用ZEMAX軟件設(shè)計(jì)柯拉照明系統(tǒng)中的集光鏡、聚光鏡和成像物鏡。（3）提出線陣CCD測(cè)量方案：基于單片機(jī)的硬件測(cè)量法。單片機(jī)的硬件測(cè)量法是從CCD出來(lái)的電信號(hào)經(jīng)前置放大，濾波電路進(jìn)行二值化處理，然后送入單片機(jī)，在經(jīng)單片機(jī)處理后送入LED顯示。（4）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)分別對(duì)幾組直徑應(yīng)用上述方法進(jìn)行測(cè)量，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較、分析，同時(shí)對(duì)產(chǎn)生測(cè)量誤差的主要原因給予分析2測(cè)量原理和方案論證2.1利用衍射法測(cè)量細(xì)銅絲直徑我們選擇了最簡(jiǎn)單的一種模型，它是常規(guī)的夫瑯和費(fèi)衍射。即把金屬絲當(dāng)成一個(gè)平面的狹縫,其工作情況如圖2-2所示。光源發(fā)出的平行光束垂直照射在單縫(金屬絲)上.根據(jù)惠更斯-菲涅耳原理,單縫上每一點(diǎn)都可以看成是向各個(gè)方向發(fā)射球面子波的新波源,子波在接收屏上疊加形成一組平行于單縫的明暗相間的條紋.和單縫平面垂直的衍射光束會(huì)聚于屏上x(chóng)=0處,是中央亮條紋的中心,其光強(qiáng)為I0;與光軸成θ角的衍射光束會(huì)聚于x=x(θ)處,θ為衍射角,由惠更斯-菲涅耳原理可得光強(qiáng)分布為式中D為縫寬,λ為入射光波長(zhǎng).當(dāng)θ=0時(shí),I=I0,是中央主極大.當(dāng)sinθ=kλ/D時(shí),其中k=±1,±2,…,I=0,是暗條紋.由于θ很小,故sinθ≈θ,所以近似認(rèn)為暗條紋出現(xiàn)在θ=kλ/D處.中央亮條紋的角寬度Δθ=2λ/D,其他任意兩條相鄰暗條紋之間夾角Δθ=λ/D,即暗條紋以x=0處為中心.當(dāng)使用激光器作光源時(shí),由于激光的準(zhǔn)直性,可將透鏡L1去掉.如果接收屏遠(yuǎn)離金屬絲(z>>D),則透鏡L2也可省略.由于tgθ=x/z,且tgθ≈sinθ,則各級(jí)暗條紋衍射角應(yīng)為（2-2）由此可以求得金屬絲直徑為

（2-3）式中k是暗條紋級(jí)數(shù);z為金屬絲與測(cè)量平面間的距離;XK為第k級(jí)暗條紋距中央主極大的距離。2.2利用分光法測(cè)量細(xì)銅絲直徑發(fā)光管D1發(fā)出的紅外光經(jīng)分光鏡分成兩路:測(cè)量光路和參考光路。測(cè)量光和參考光分別照射到兩只相同型號(hào)的光電接收管T1、T2上。D1為中心頻率880nm的進(jìn)口紅外發(fā)光管;T1、T2為高一致性、線性度的進(jìn)口光電三極管;截止波長(zhǎng)為850nm的低通濾波片可有效地消除可見(jiàn)光干擾在測(cè)量光和參考光的照射下,T1和T2的輸出電壓分別為V1和V2,在測(cè)量光路中沒(méi)有被測(cè)細(xì)絲時(shí),V1=V2,此時(shí)V1、V2的差動(dòng)電壓值Vi=0.當(dāng)測(cè)量光路有被測(cè)細(xì)絲時(shí),細(xì)絲在T1的檢測(cè)窗口上產(chǎn)生一個(gè)寬度為細(xì)絲直徑d,高度為檢測(cè)窗口高度h的投射陰影,導(dǎo)致V1發(fā)生變化,變化量ΔV1與投射陰影面積d?h成正比;由于在電路中采用了負(fù)反饋?zhàn)詣?dòng)光強(qiáng)調(diào)整技術(shù),使發(fā)光管發(fā)射的光強(qiáng)穩(wěn)定不變,此時(shí)V2保持恒定值不變;以V2作基準(zhǔn),V1、V2的差動(dòng)電壓值Vi=ΔV1,將Vi放大即可得到與被測(cè)細(xì)絲直徑成線性關(guān)系的電壓信號(hào),達(dá)到測(cè)量細(xì)絲直徑的目的。2.3線陣CCD測(cè)量直徑系統(tǒng)測(cè)細(xì)銅絲直徑被測(cè)工件被均勻照明后，經(jīng)光學(xué)成像系統(tǒng)按一定倍率成像于線陣CCD傳感器上，基于線陣CCD測(cè)量直徑系統(tǒng)原理圖如圖2-5所示:則在CCD傳感器光敏面上形成了被測(cè)工件的影像，這個(gè)影像反映了被測(cè)工件的直徑尺寸，兩者之間的關(guān)系由高斯公式表示為：(2-4)其中：l-----物距l(xiāng)′----像距f′---像方焦距β----光學(xué)系統(tǒng)的放大率d----被測(cè)工件的直徑大小d′---被測(cè)工件直徑在CCD上影像大小知道物距、像距并測(cè)出工件影像d′的大小，即可求出被測(cè)工件的尺寸。CCD器件把光敏元上工件影像的光學(xué)信息轉(zhuǎn)換成與光強(qiáng)成正比的電荷量。存儲(chǔ)于MOS電容中，用一定頻率的時(shí)鐘脈沖對(duì)CCD進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，則電荷定向轉(zhuǎn)移到輸出端。視頻信號(hào)中每一個(gè)離散電壓信號(hào)的大小對(duì)應(yīng)著該光敏元所接收光強(qiáng)的強(qiáng)弱，而信號(hào)輸出的時(shí)序則對(duì)應(yīng)CCD光敏元位置的順序。最終，被測(cè)工件的影像大小反映在CCD輸出信號(hào)中變?yōu)檩敵鲂盘?hào)電壓的高低，即在CCD中間被影像遮擋部分的光敏元輸出電壓低，兩側(cè)未被遮擋的光敏元輸出電壓高。CCD的輸出信號(hào)如圖2-6所示最終由CCD實(shí)現(xiàn)按空間域分布的光學(xué)圖像信息向按時(shí)間域分布的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化，該輸出電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后，可得到表示d′大小的脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)送入單片機(jī)中，測(cè)出脈沖寬度，進(jìn)而可求出被測(cè)工件的大小。即用CCD復(fù)位脈沖（對(duì)應(yīng)CCD的光敏元）可求出尺寸的大小。若：δ為脈沖當(dāng)量（CCD脈沖），N為CCD器件像數(shù)，N1，N2為光照部分的光敏信號(hào)輸出脈沖數(shù)，β為光學(xué)系統(tǒng)的放大倍數(shù)，則被測(cè)工件直徑[7～9][12]為：（2-5）本設(shè)計(jì)中δ=7μm；N=5000；β=1，所以實(shí)際上被測(cè)工件直徑尺寸為：（2-6）由于被測(cè)工件的邊緣是通光和擋光的交界點(diǎn)，理論上該處的光強(qiáng)變化率最大，該點(diǎn)就是濾波后的視頻信號(hào)電壓函數(shù)v=v(t)在過(guò)渡區(qū)內(nèi)的拐點(diǎn)，由高等數(shù)學(xué)知識(shí)知道，在拐點(diǎn)處，電壓函數(shù)的一次微分為最大值，二次微分為零。基于以上原理，在測(cè)量系統(tǒng)中對(duì)CCD輸出信號(hào)采用微分法處理，便于尋找被測(cè)工件的邊緣[10～11]。微分法的波形圖如圖2-7所示：2.4成像系統(tǒng)成像系統(tǒng)采用物方遠(yuǎn)心光路[10]。在光電檢測(cè)中,常常在生產(chǎn)線上對(duì)工件進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量或在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量，如測(cè)量鋼絲直徑、玻璃管直徑或軸類(lèi)零件等，為了提高測(cè)量精度，常采用遠(yuǎn)心光路和柯拉照明一起配合使用。對(duì)物體(工件)大小的測(cè)量,一般是將物體按一定倍率要求，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像在CCD的接收面上，然后對(duì)CCD輸出信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。按照此種方法進(jìn)行物體線性尺寸測(cè)量時(shí)，光電器件與物鏡之間的距離應(yīng)保持不變，其測(cè)量精度在很大程度上取決于像平面與光電器件接收面的重合程度。由于在測(cè)量過(guò)程中，工件常常會(huì)沿光軸方向有所移動(dòng)，使像平面與光電接收面不可能真正重合，因而產(chǎn)生了測(cè)量誤差如圖2.8所示。圖2.8中B1B2為被測(cè)物體；B1′B2′表示被測(cè)物體像的大??；M1M2為光電器件接收面，由于B1′B2′與M1M2二者不重合，使像點(diǎn)B1′B2′在M1M2上形成彌散班，在CCD器件接收面上，實(shí)際測(cè)量像的大小為M1M2，顯然它與實(shí)際的像長(zhǎng)B1′B2′是不同的。這就使測(cè)量產(chǎn)生了很大的測(cè)量誤差。為了消除這種誤差，可以通過(guò)控制主光線的方向來(lái)達(dá)到，我們?cè)谠O(shè)計(jì)成像物鏡時(shí)選擇了遠(yuǎn)心光路，如圖2.9所示：2.5設(shè)計(jì)方案的論證與選擇采用光學(xué)衍射法測(cè)量細(xì)銅絲直徑在理論上已經(jīng)很成熟，但實(shí)際應(yīng)用中存在一定困難，特別是在測(cè)量精度提高時(shí)，其中的關(guān)鍵困難在于：當(dāng)光經(jīng)衍射后產(chǎn)生的衍射圖樣微弱，信號(hào)的信噪比比較低，還由于衍射圖樣的銳度不大，條紋位置不明顯，給測(cè)量帶來(lái)很大困難。特別是在實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量過(guò)程中，造成測(cè)量結(jié)果不穩(wěn)定，重復(fù)性差。而且本次測(cè)量的細(xì)絲直徑為1mm，在這個(gè)直徑下不能形成明顯的衍射條紋，即衍射法在原理上存在不足。分光法在測(cè)量實(shí)質(zhì)上是干涉法測(cè)量但也有不足：1、如果細(xì)絲有垂直于測(cè)量光方向的晃動(dòng),且晃動(dòng)的幅度使投射陰影超出檢測(cè)窗口之外,將會(huì)改變陰影面積進(jìn)而產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差；2、光照在細(xì)絲上會(huì)產(chǎn)生微弱的衍射效應(yīng),衍射會(huì)導(dǎo)致線性度變差；3、環(huán)境光擾動(dòng)會(huì)降低信噪比,影響測(cè)量精度；4、光電三極管對(duì)溫度有一定的敏感性,會(huì)隨溫度的變化而產(chǎn)生靈敏度的變化；5、分光法也不適合于與計(jì)算機(jī)的連接以及后續(xù)圖像采集與處理保存。以上不足使得反光法對(duì)現(xiàn)代化自動(dòng)化生產(chǎn)有一定的局限，但分光法在原理上不存在任何問(wèn)題。與同類(lèi)測(cè)量系統(tǒng)比較，CCD細(xì)絲直徑測(cè)量系統(tǒng)具有測(cè)量速度快，測(cè)量精度高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)良特點(diǎn)，是一種非接觸式的測(cè)量系統(tǒng)，屬無(wú)損傷測(cè)量，不影響加工系統(tǒng)正常運(yùn)行，非常適合于生產(chǎn)線上尺寸的測(cè)量。該設(shè)計(jì)方案集成化程度高，可與計(jì)算機(jī)相聯(lián)，可進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的集中采集和分析，以便進(jìn)行質(zhì)量分析和統(tǒng)計(jì)，并在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題時(shí)進(jìn)行報(bào)警提示，便于控制和自動(dòng)化生產(chǎn)。綜合上述分析及我們小組的討論研究，我們決定采用CCD細(xì)絲直徑測(cè)試儀的設(shè)計(jì)方案。3系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)測(cè)量完整框圖如圖3－1所示。He-Ne激光器發(fā)出的激光經(jīng)反射鏡M1、擴(kuò)束系統(tǒng)M2后形成均勻的測(cè)量光，測(cè)量光經(jīng)空間濾波器消除雜散光后入射被測(cè)量細(xì)絲，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)在探測(cè)(CCD)上形成衍射條紋。CCD將衍射圖樣轉(zhuǎn)換為電信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)整電路處理后進(jìn)入計(jì)算機(jī)，處理采集到的信號(hào)，求得衍射圖樣中暗點(diǎn)的分布尺寸。為保證測(cè)量精度，消除細(xì)絲抖動(dòng)帶來(lái)的誤差，CCD的驅(qū)動(dòng)電路要保證CCD的積分時(shí)間足夠短。3.2光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.2.1光源3.2.2光源照明3.2.3成像光學(xué)系統(tǒng)3.3機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.3.1機(jī)械設(shè)計(jì)的原理和要求3.3.2機(jī)械設(shè)計(jì)的保險(xiǎn)裝置3.2.3機(jī)械設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性3.4電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.4.1低通濾波器3.4.2相關(guān)雙采樣3.4.3差分放大電路3.5數(shù)字圖像處理及報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.5.1系統(tǒng)組成3.5.2塊方向的選取3.5.3單位標(biāo)定3.5.4細(xì)絲直徑的獲取3.5.5直徑的測(cè)量4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及影響測(cè)量精度的主要因素分析4.1光學(xué)系統(tǒng)對(duì)測(cè)量精度的影響分析4.1.1影響測(cè)量精度的因素及對(duì)策1.衍射 光照在細(xì)絲上會(huì)產(chǎn)生衍射效應(yīng),衍射會(huì)導(dǎo)致線性度變差。試驗(yàn)證明:在20um以上,線性度是比較好的;在20um以下線性度較差,但Vi與d的正相關(guān)關(guān)系沒(méi)有改變,此時(shí)應(yīng)采用值運(yùn)算擬合法來(lái)提高精度。2.環(huán)境光擾動(dòng) 環(huán)境光擾動(dòng)會(huì)降低信噪比,影響測(cè)量精度。在使用了濾波片后已濾除了大部分干擾光,再加上遮光罩可使環(huán)境光擾動(dòng)忽略不計(jì)。4.2信號(hào)處理電路對(duì)測(cè)量精度的影響分析由于外界環(huán)境及電路自身元器件的不穩(wěn)定性，會(huì)使得測(cè)量結(jié)果偏離理想狀況。4.2.1零點(diǎn)漂移對(duì)測(cè)量精度的影響1.什么是零點(diǎn)漂移現(xiàn)象：ΔuI＝0，ΔuO≠0的現(xiàn)象。2.產(chǎn)生原因：溫度變化，直流電源波動(dòng)，器件老化。其中晶體管的特性對(duì)溫度敏感是主要原因，故也稱零漂為溫漂。3.克服溫漂的方法：引入直流負(fù)反饋，溫度補(bǔ)償。典型電路：差分放大電路4.2.1被測(cè)工件的均勻性對(duì)測(cè)量精度的影響在生產(chǎn)過(guò)程中，軸類(lèi)零件，電纜或電線的外徑有時(shí)不很均勻。被測(cè)工件經(jīng)過(guò)光照在CCD成像，線徑不等時(shí)則被照部分CCD輸出脈沖數(shù)與均勻被測(cè)工件被照部分的CCD輸出脈沖數(shù)不等，反應(yīng)到測(cè)量結(jié)果上就會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差，在設(shè)計(jì)中，我們采用對(duì)被測(cè)工件的多次測(cè)量，然后求取平均值的方法來(lái)消除這種誤差。粗大誤差也影響測(cè)量精度，但它是有外界條件的突然變化引起的，當(dāng)外界條件改變時(shí)引起CCD輸出信號(hào)的不穩(wěn)定，只要保證外界條件持續(xù)穩(wěn)定，則粗大誤差就很少發(fā)生。4.2.2誤差分析在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們分別對(duì)直徑φ=1.0mm的標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行了三組測(cè)量，每一組采取多次重復(fù)測(cè)量，取平均值，并進(jìn)行相應(yīng)的精度計(jì)算。4.3圖像處理對(duì)測(cè)量精度的影響4.3.1標(biāo)定誤差圖像處理在使用前都會(huì)與有一個(gè)相對(duì)的度量單位對(duì)所測(cè)量的對(duì)象進(jìn)行標(biāo)定（此處對(duì)CCD象元尺寸進(jìn)行標(biāo)定）。在細(xì)絲直徑檢測(cè)算法中,采用的是屏幕后續(xù)檢測(cè)單位標(biāo)定法。標(biāo)定中難免會(huì)有誤差引入，但該誤差屬于系統(tǒng)誤差。4.3.2示值顯示誤差當(dāng)計(jì)算機(jī)在對(duì)細(xì)絲影像進(jìn)行示值時(shí)會(huì)對(duì)象元的占空比按1：2的比例取值。即象元的三分之二占滿記一個(gè)單位長(zhǎng)度，反之不計(jì)數(shù)。該誤差為隨機(jī)誤差。4.3.3誤差合成根據(jù)誤差處理理論：系統(tǒng)總誤差為4.3.4儀器誤差根據(jù)誤差合成理論知儀器總誤差為：5總結(jié)本課題的研究是以線陣CCD--光電傳感器TCD1501D及光學(xué)鏡頭為基礎(chǔ)構(gòu)建的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)CCD的輸出信號(hào)采用微分法提取被測(cè)工件的邊緣信息，由單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理完成測(cè)量工作。本文從光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)入手展開(kāi)研究：包括測(cè)量直徑系統(tǒng)的構(gòu)建、線陣CCD測(cè)量器件的選擇、光學(xué)鏡頭的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)組成的硬件電路、程序設(shè)計(jì)做了相應(yīng)的介紹。綜上所述，本課題的研究主要做了以下方面的工作：設(shè)計(jì)了基于線陣CCD的直徑測(cè)量系統(tǒng)。包括線陣CCD的選型，光源的選取，光學(xué)鏡頭的設(shè)計(jì)，介紹線陣CCD光學(xué)測(cè)量原理。在進(jìn)行光電測(cè)量裝置設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)分析，并用ZEMAX軟件設(shè)計(jì)了柯拉照明系統(tǒng)中的集光鏡、聚光鏡和成像物鏡。本論文從實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了使用CCD技術(shù)進(jìn)行非接觸測(cè)量，特別是對(duì)輸出信號(hào)不采用傳統(tǒng)意義上的閾值處理法，而采用微分法對(duì)工件的邊緣信號(hào)進(jìn)行提取，用MSP430F149單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并編制相應(yīng)的程序。用CCD測(cè)徑系統(tǒng)對(duì)幾組直徑做實(shí)驗(yàn)研究，分析了測(cè)量系統(tǒng)的誤差。由測(cè)量結(jié)果可知，測(cè)量精度在±5μm之內(nèi)。如果從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)，可以得到更高的測(cè)量精度。光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、光學(xué)系統(tǒng)的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)、鏡頭裝調(diào)和校驗(yàn)。測(cè)量時(shí)，若CCD感光面與像面不重合，CCD將接收到模糊的圖像信息，造成測(cè)量誤差，以后可以采用增加瞄準(zhǔn)部分來(lái)解決。CCD傳感器的像元尺寸的幾何位置精度高，可靠性高，壽命長(zhǎng)，適合較惡劣的自然環(huán)境，CCD技術(shù)被應(yīng)用在幾乎所有的成像相關(guān)的領(lǐng)域，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及CCD技術(shù)的研究和應(yīng)用，CCD技術(shù)將得到普及和推廣。鑒于我小組成員的知識(shí)結(jié)構(gòu)及經(jīng)驗(yàn)有限，論文基于線陣CCD便攜式直徑測(cè)量系統(tǒng)設(shè)